阅读说明：本技术 一种子母潜器的流体动力干扰计算方法 (Fluid power interference calculation method for primary and secondary submersible vehicle ) 是由 李鹏 秦洪德 江志远 邓忠超 国瑀 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：一种子母潜器的流体动力干扰计算方法,属于水动力分析领域。包括以下步骤：S1.在潜器的横剖面建立坐标系；S2.利用保角变换将大尺度的母艇曲面映射为平面；S3.结合映像法实施母艇表面边界条件,将原问题转化为无界流中物体绕流问题；S4.采用边界元法,在小尺度的子艇表面布置奇点,通过求解边界积分方程计算子艇表面速度势；S5.保角变换的逆变换,将速度势映射到原始物体表面,计算受力。本发明将原双体流体动力干扰问题简化为无界流物体绕流问题,无需将母艇表面离散,提高了计算效率。本发明提出的方法对双体流体动力干扰机理的研究具有参考价值,是子母潜器在水下发射、作业、回收的操纵和控制设计的重要依据。(A fluid dynamic interference calculation method for a primary-secondary submersible belongs to the field of hydrodynamic analysis. The method comprises the following steps: s1, establishing a coordinate system on a cross section of the submersible vehicle; s2, mapping the curved surface of the mother boat with large scale into a plane by using angle keeping transformation; s3, combining a mapping method to implement the boundary condition of the surface of the mother boat, and converting the original problem into the problem of object streaming in unbounded flow; s4, arranging singular points on the surface of the small-scale sub-boat by adopting a boundary element method, and calculating the surface speed potential of the sub-boat by solving a boundary integral equation; s5, inverse transformation of angle keeping transformation, namely mapping the velocity potential to the surface of the original object, and calculating the stress. The method simplifies the original double-body hydrodynamic interference problem into the unbounded flow object streaming problem, does not need to disperse the surface of the mother boat, and improves the calculation efficiency. The method provided by the invention has reference value for the research of the double-body hydrodynamic interference mechanism, and is an important basis for the control and control design of underwater launching, operation and recovery of the primary and secondary submersible vehicles.)

一种子母潜器的流体动力干扰计算方法

技术领域

本发明属于水动力分析领域，具体涉及一种子母潜器的流体动力干扰计算方法。

背景技术

与大型潜器相比，小型无人潜器具有造价低、能耗小、运动灵活的特点，在航道测量、水下救援、等领域更具有优势，可由母艇搭载并在水下布放，多艇协同作业，完成指定任务。不同于在无界流中的运动特点，潜器在布放、回收、水下作业的过程中，会受到母船等物体的流体干扰力作用，对操纵控制稳定性、定位精度造成不利影响。为了减少流体动力干扰作用的影响，需要准确研究其运动过程中的受力情况。传统的边界元法计算流体动力需要对所有物体边界离散成网格，计算网格内的速度势，当计算子母两艇所受流体动力时，由于尺度相差较大，网格数量大，使得计算成本较高，因此需要一种简便高效的双体流体动力干扰计算方法。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种子母潜器的流体动力干扰计算方法。

本发明所采取的技术方案是：一种子母潜器的流体动力干扰计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.在潜器的横剖面建立坐标系；

S2.利用保角变换将大尺度的母艇曲面映射为平面；

S3.结合映像法实施母艇表面边界条件，将原问题转化为无界流中物体绕流问题；

S4.采用边界元法，在小尺度的子艇表面布置奇点，通过求解边界积分方程计算子艇表面速度势；

S5.保角变换的逆变换，将速度势映射到原始物体表面，计算受力。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明将原双体流体动力干扰问题简化为无界流物体绕流问题，无需将母艇表面离散，提高了计算效率。本发明提出的方法对双体流体动力干扰机理的研究具有参考价值，是子母潜器在水下发射、作业、回收的操纵和控制设计的重要依据。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明在潜器的横剖面建立坐标系示意图；

图3是本发明子母潜器物理平面示意图；

图4是本发明物理平面经过保角变换得到的计算平面示意图；

图5是本发明计算平面采用映像法得到的计算平面示意图；

具体实施方式

本发明基于流体动力学势流理论，利用保角变换将大尺度的母艇表面映射为平底，结合映像法实施母艇表面边界条件，将原问题转化为无界流中物体绕流问题；采用边界元法，在小尺度的子艇表面布置奇点，通过求解边界积分方程计算子艇表面速度势；最后通过保角变换的逆变换，将速度势映射到原始物体表面，计算受力。

下面将结合本发明中的附图1～4，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种子母潜器的流体动力干扰计算方法，包括以下步骤：

S1.在潜器的横剖面建立坐标系；

具体为：基于细长体假设，将问题简化为二维，在潜器的横剖面建立二维笛卡尔坐标系xoy，坐标原点位于母艇形心，x轴与水平面平行，y轴与水平面垂直，母艇半径为R，子艇形状和位置任意，如附图2所示；

S2.利用保角变换将大尺度的母艇曲面映射为平面；

具体为：利用保角变换将大尺度的母艇表面Γ_B1映射为平面，变换函数为：

ζ＝f(z)＝iR(ln z-ln R)

式中z和ζ为复变量，z＝x+iy，z是物理剖面复坐标；ζ＝ξ+iη，ζ为计算平面复坐标，变换函数将物理平面母艇表面的圆周Γ_B1映射为计算平面ξ轴，子艇的形状Γ_B2发生一定变化，物理平面区域S映射为计算平面的上半平面区域S’；以物理平面子艇绕母艇附近运动为例，根据相对运动原理，可视为流体绕母艇以角速度ω流动，映射为计算平面速度U的流动，如附图4所示；

S3.结合映像法实施母艇表面边界条件，将原问题转化为无界流中物体绕流问题；

具体为；在计算平面采用映像法，实施母艇表面边界条件：

式中为物理平面速度势，n为物面法向量,Γ_B1为母艇表面；

变换后，母艇表面边界条件简化为平底边界条件：

式中Φ为计算平面速度势；采用映像法，生成子艇关于η＝0的镜像，将问题简化为子艇及其镜像在无界流中的绕流问题。

S4.采用边界元法，在小尺度的子艇表面布置奇点，通过求解边界积分方程计算子艇表面速度势；

具体为：在计算平面将子艇表面离散为N个面元ΔQ_j，计算面元形心p,q及法向量并求解边界积分方程：

式中A_ii＝π，

解方程得计算平面子艇表面速度势Φ(ζ)，并写出复势Ω(ζ)＝Φ(ζ)+iΨ(ζ)，其中Ψ(ζ)为计算平面流函数。

S5.保角变换的逆变换，将速度势映射到原始物体表面，计算受力。

具体为：通过保角变换的逆变换，将复势Ω(ζ)映射到原始物体表面的复势其中ψ(z)为物理平面流函数；

变换函数为：

可得到子艇表面速度势根据子艇表面速度势可进一步得到子艇表面速度、压力分布及受力等所需信息。

以复速度为例，计算平面和物理平面复速度的映射关系为：

本发明针对子母潜器的流体动力干扰问题，通过保角变换函数f(z)将物理平面上的曲线边界复势W(z)，映射为计算平面上简单边界复势Ω(ζ)，求解后再通过f^-1(ζ)逆变换到物理平面，从而得到了物理平面上的速度势可进一步求解所需物理量。

所述S2中，使用保角变换函数将母艇圆形横剖面变换到平面，步骤具体包括：

ζ＝f(z)＝iR(lz z-ln R)

分离实部和虚部，得到计算平面坐标ξ，η与物理平面坐标x，y间的对应关系如下：

ξ＝-Rarg(x，y)

所述S5中，使用逆变换函数将计算平面速度势变换到物理平面，步骤具体包括：

分离实部和虚部，得到物理平面坐标x，y与计算平面坐标ξ，η间的对应关系如下：

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。